Development of topological and physical properties of electrons in quasicrystal and approximant

周期性をもたない結晶構造をもつ準結晶では、周期結晶では許されない５回回転対称性などの特有の回転対称性をもつ。準結晶でどのような電子状態が実現し、物性を発現するかは不明な点も多く、その解明は物質科学研究のフロンティアである。特に準結晶において磁気長距離秩序が実現するか否かはこれまで未解明の重要な問題であった。最近、希土類系準結晶Au65Ga20R15 (R=Tb, Gd)において強磁性長距離秩序が実験により発見され、大きな注目を集めている。これまで研究代表者により、希土類系準結晶の希土類原子サイトの結晶場による磁気異方性の効果を取り入れた有効磁気模型に基づいて、希土類系準結晶および近似結晶の磁気構造の理論解析が行われた。その結果、希土類原子がその頂点に位置する２０面体上で、ヘッジホッグ状態やフェリ磁性状態、渦巻き状態などの様々な非共線・非共面磁気構造が基底状態として実現することが示された。興味深いことに、ヘッジホッグ状態はトポロジカル数+1の有限のトポロジカル不変量で特徴づけられることがわかった。さらに有効磁気模型を２０面体準結晶に適用し、一様なヘッジホッグ秩序相を見出した。本研究では、この準結晶におけるトポロジカル磁気構造である、ヘッジホッグ秩序相におけるダイナミクスを明らかにするため、動的磁気構造因子を計算する理論的枠組みの開発に取り組んだ。この方法を用いて、ヘッジホッグ秩序相における動的励起の性質を理論的に明らかにした。興味深い結果として、ヘッジホッグ相特有のユニークな動的励起構造、および非相反磁気励起が波数-エネルギー平面の広大な領域に出現することを見出した。

周期性をもたない結晶構造をもつ準結晶では、周期結晶では許されない５回回転対称性などの特有の回転対称性をもつ。準結晶でどのような電子状態が実現し、物性を発現するかは不明な点も多く、その解明は物質科学研究のフロンティアである。特に準結晶において磁気長距離秩序が実現するか否かはこれまで未解明の重要な問題であった。最近、希土類系準結晶Au65Ga20R15 (R=Tb, Gd)において強磁性長距離秩序が実験により発見され、大きな注目を集めている。これまで研究代表者により、希土類系準結晶の希土類原子サイトの結晶場による磁気異方性の効果を取り入れた有効磁気模型に基づいて、希土類系準結晶および近似結晶の磁気構造の理論解析が行われた。その結果、希土類原子がその頂点に位置する２０面体上で、ヘッジホッグ状態やフェリ磁性状態、渦巻き状態などの様々な非共線・非共面磁気構造が基底状態として実現することが示された。興味深いことに、ヘッジホッグ状態はトポロジカル数+1の有限のトポロジカル不変量で特徴づけられることがわかった。さらに有効磁気模型を２０面体準結晶に適用し、一様なヘッジホッグ秩序相を見出した。本研究では、この準結晶におけるトポロジカル磁気構造である、ヘッジホッグ秩序相におけるダイナミクスを明らかにするため、動的磁気構造因子を計算する理論的枠組みの開発に取り組んだ。この方法を用いて、ヘッジホッグ秩序相における動的励起の性質を理論的に明らかにした。興味深い結果として、ヘッジホッグ相特有のユニークな動的励起構造、および非相反磁気励起が波数-エネルギー平面の広大な領域に出現することを見出した。